Navorsingsvoortgang en ontwikkelingstrend van swaar gasroere en hul warmteskermbedekkinge (1)

In die veld van swaar industrie word die meer algemene warmte-krag omvormingstipe magvoortbringingsuitrusting - swaar gasroer, as gevolg van die klein grondvlak, kort siklus, hoë effektiwiteit, minder verontreiniging en ander kenmerke wydverspreid in netwerk piekbelasting, energieboring en -transport, see magvoortbringings, gevorderde skeepsmag, lughawe en ander velde gebruik, genoem as "industriële parel". In 'n sekere sin is die algehele ontwikkelingsvlak van die nasionale vervaardigingsbedryf nou verwant aan die navorsingsvlak van swaar gasroere.

In 1939 het die Switserse BBC maatskappy die wêreld se eerste swaar gas turbine vir stroomwekking vervaardig, wat die vinnige ontwikkeling van swaar gas turbines rondom die wêreld begin. In onlangse jare is die vraag na energiebesparing en omgewingsbeskerming toegeneem, en die prestasievereistes van swaar gas turbines is ook verbeter, met die doelwit hoë effektiwiteit en lae uitstoot [1]. Daar is twee hooffaktore wat die effektiwiteit van gas turbines beïnvloed: een is die turbine invoertemperatuur, en die ander is die kompresorverhouding. Van hierdie twee, is die kritieker faktor hoe om die turbine invoertemperatuur te verhoog [2]. Dus, turbineblaaie, as die kernkomponente van gas turbines, verhoog die turbine invoertemperatuur hoofsaaklik deur drie punte, naamlik hoëtemperatuurmetale, gevorderde koelingstegnologie en termiese barrièrlaagstegnologie.

In die afgelope jare is daar heftig aan die ontwikkeling van superlegkaalblaaierigsbestuurde kristal/enkelkristalvormingstegnologie, termiese barrièrbeskrywings en gasfilmkoelingstegnologie gewerk [3]. 'n Groot aantal studies het gevind dat die gebruik van die ontwerp vir die koelstruktur die oppervlakte temperatuur van die warme einde komponente (turbineblaaie, verbrandingskamers ens.) met ongeveer 500 kan verminder ° C, maar dit is steeds nie genoeg om die vereistes te voldoen nie. Alhoewel, om turbinekoelingstegnologie voortdurend te verbeter, is die koelstrukture wat deur navorsers ontwerp en vervaardig word nie net baie kompleks nie, maar ook moeilik om te prosesseer. Verder het baie superlegings wat gebruik word om swaar gasroerturbineblaaie te vervaardig hul limiettemperature bereik, terwyl keramiekmatriskomposiete met beter hitwerstand nog nie volgroeid vir toepassing is nie [4]. In kontras hiermee bied termiese barrièrbekleidingstegnologie 'n lager koste en uitstekende termiese isolasie. Studies het getoon dat die termiese barrièrbekleiding van 100 ~ 500 μ m op die turbineblaaioppervlak deur termiespraei-tegnologie aangebring word, hoogs temperatuurgas se direkte kontak met die turbineblaai van die swaar gasroer turbines kan vermy en die oppervlakte-temperatuur sowat met 100 ~ 300 ℃ verlaag, sodat die swaar gasroer turbine veilig in diens gestel kan word [5-6].

Dus, deur verskeie faktore in ag te neem, is die enigste haalbare en doeltreffende metode om hoë effektiwiteit, lae uitstoot en lange lewe van swaar gasverbranders te bereik, termiese barrièrbeskrywingstegnologie. Hierdie tegnologie word wydverspreid in hot-end-komponente van gasverbranders en lugvaartmotors gebruik. Byvoorbeeld, word 'n termiese barrièrbeskrywing op die oppervlak van 'n turbinblad gespuit om dit van hoë-temperatuur gas af te skei, om die oppervlakte temperatuur van die blad te verlaag, die diensteltyd van die blad te verleng en dit te laat werk by 'n hoër temperatuur, wat daartoe lei dat die effektiwiteit van die gasverbrander verbeter word. Aangesien die ontwikkeling van die laat 1940's en vroeë 1950's, het termiese barrièrbeskrywing groot aandag getrek en is dit kragtig bevorder en ontwikkel deur baie wetenskaplike navorsingsinstellings en beskrywingstowenaars oor die wêreld, en die vraag na termiese barrièrbeskrywingstegnologie in die moderne bedryf word al hoe dringender. Dus, die studie van termiese barrièrbeskrywing vir gasverbranders het groot praktiese en strategiese betekenis.

In die laaste jare is die mees wydverspreide bedekking vir swaarverpligte gasroere steeds ytteriumgestabiliseerde sirkonia (6-8YSZ) met 'n massafraksie van 6 wt.% ~ 8 wt.%, maar YSZ-bedekking is nie net geneig tot fasedwarsending en sinters, maar ook geneig tot smeltende saal-korrosie by temperature bo 1 200 ℃ . Dit is, CMAS-korrosie (CaO-MgO-Al2O3-SiO2 en ander silikaatstowwe) en termiese korrosie. Om die bedekking te laat funksioneer by temperature bo 1 200 ℃ vir 'n lang tyd, het navorsers baie pogings gedoen, insluitend die vind en ontwikkel van nuwe termiese barrierekoue, die verbetering van die voorbereidingsproses van termiese barrierekoue, en die reguleer van die struktuur van die kou. Dus, op grond van die bespreking van die huidige toestand van swaar gasroere en die stelselstruktuur, materiaal en voorbereidingsmetodes van termiese barrierekoue, samenvat hierdie artikel die navorsingsstatus van gasroere termiese barrierekoue teen CMAS-korrosie en ander sleutel eienskappe, wat 'n verwysing verskaf vir die navorsing van termiese barrierekoue teen CMAS-korrosie.

1 Status en ontwikkelingstrend van swaar gasroere

Aangesien die wêreld se eerste gas turbine in 1920 verskyn is, het gas turbines begin vinnig ontwikkel in die industriële veld. In onlangse jare groei die skaal van die globale swaar gas turbine mark voortdurend, lande gee meer aandag aan die navorsing en ontwikkeling van swaar gas turbines, en verhoog voortdurend kapitaal- en mankrachtsbelegging, en die tegniese vlak van swaar gas turbines word voortdurend verbeter. Die tegniese vlak van swaar gas turbines word bepaal deur die turbine invoertemperatuurvlak, wat verdeel kan word in E, F en H klasse volgens die temperatuurbereik [7]. Daaronder is die vermoe van klas E 100 ~ 200 MW, die vermoe van klas F 200 ~ 300 MW, en die vermoe van klas H meer as 300 MW.

1.1 Huidige toestand van inheemse swaar gas turbines

In die 1950's moes China se swaardige gasroere ingevoer word deur buitelandse maatskappye [General Electric (GE), Duitsland se Siemens (Siemens), Japan se Mitsubishi Heavy Industries (MHI)], en daarna onafhanklik ontwerp, ontwikkel en vervaardig. In hierdie fase het die swaardige gasroertechnologie van ons land vinnig ontwikkel. In die 1980's het 'n ernstige gebrek aan olie en gas in China voorgekom, en die ontwikkeling van swaardige gasroertechnologie is genoodsaak om in 'n afname-toestand te kom. Tot 2002, met die west-oos gas oorgang en die ontwikkeling en invoering van aardgas in ons land, is die probleem van olie en gas opgelos, en het die swaardige gasroere in ons land eindelik 'n nuwe rondte van ontwikkeling begin [8]. Tans hangt China se swaar gasroermakerij hoofsaaklik af van maatskappye soos Shanghai Electric, Dongfang Electric, Harbin Electric en ander.

In 2012, in die "863" grootprojekte in die energiebedryf, het die R0110 swaar gasroerdompel wat deur Shenyang Leing Company en hoofuniversiteite in China ontwikkel is, suksesvol die 72h belastingsproefbedrywighede voltooi, wat dui op die suksesvolle produksie van die eerste swaar gasroerdompel met onafhanklike intellektuele eiendomsregte, en sy basisbelasting is 114.5MW. Die termiese doeltreffendheid is 36%. Sedertdien is China geword die vyfde land ter wêreld wat onafhanklike navorsing en ontwikkeling van swaar gasroerdompels kan doen. In 2014 het Shanghai Electric 'n aandelepakket in Ansaldo, Italië, gekoop, wat die buitelandse monopole in die gasroerdompelbedryf gebreek het, wat ook China laat toe om aanvanklik die lokalisering van E/F klas swaar gasroerdompels te bereik. In 2019, onder leiding van China Re-Combustion, het die gemeenskaplike tegnologie van verskeie instellings suksesvol die eerste fase beweegblaaier, die eerste fase statiese blaaier en die brandkamer van die F-klas 300 MW gasroerdompel vervaardig, wat dui dat China nou in staat is om aanvanklik die warme einde komponente van swaar gasroerdompels te vervaardig; In dieselfde jaar, het Shanghai Electric en Ansaldo suksesvol die H-klas swaar gasroerdompel GT36 ontwikkel, wat die eerste H-klas swaar gasroerdompel word wat in ons land ontwikkel is. In 2020, in die "973" projek, het die eerste F-klas 50 MW swaar gasroerdompel (genaamd G50) wat onafhanklik deur China Dongfang Electric en Xi 'an Jiaotong Universiteit ontwikkel is, suksesvol die volledige belastingstabiele proefbedrywighede voltooi [9], wat wys dat China nou in staat is om aanvanklik onafhanklik F-klas swaar gasroerdompels te ontwikkel. In Junie 2022, het Jiangsu Yonghan suksesvol deelgeneem aan die ontwikkeling van die 300 MW swaar gasroerdompel turbinblaaier, wat China se 300 MW swaar gasroerdompel navorsing en ontwikkeling sukses verder bevestig. Alhoewel die vlak van swaar gasroerdompeltegnologie in China vinnig verbeter, word E/F klas gasroerdompels steeds hoofsaaklik in die plaaslike gasroerdompelmark gebruik. Van hulle, is die enkel-siklus doeltreffendheid van die mees gevorderde swaar gasroerdompels in die plaaslike mark tussen 42% en 44%, en die kombinasie-siklus doeltreffendheid tussen 62% en 64%[10].

1.2 Status quo van swaarpligting gas turbines buite lande

Ten spyte van die vinnige ontwikkeling van wêreldwye wetenskap en tegnologie en die ekonomie in onlangse jare, het die tegnologiese vlak van swaarpligting gas turbines geleidelik verbeter, maar 'n groot deel van die wêreld se swaarpligting gas turbine mark word steeds deur die VSA GE, Japan MHI, Frankryk Alstom en Duitsland Siemens verdeel. Met die ontwikkeling van industriële tegnologie, is swaar gas turbine tegnologie meer volwasse geword, en die navorsingsfokus het geleidelik verskuif vanaf die terrein van lugvaart gas turbines na die terrein van swaar gas turbines, en E, F, G, H, J-klas gas turbines is ontwikkel.

Tans is baie produkte van Japan se Mitsubishi in die swaar gasroerbladmark more popular by die publiek. Daaronder word die JAC-tipe gasroerblad deur Mitsubishi Heavy Industries bekend gestel as die wêreld se effektiest gasroerblad, en sy gekombineerde siklusvermogeffektiwiteit kan 64% of selfs hoër bereik. Die M701J gasroerblad, die wêreld se hoogste termiese effektiwiteit gasroerblad vir magtewingsdoeleindes, het 'n eenvoudige siklusmag van 470 MW en 'n gekombineerde siklusmag van 680 MW. Verder behou die M501J gasroerblad steeds 'n termiese effektiwiteit van 55% onder 50% belaaiingsomstandighede, en sy prestasie is baie uitstekend.

Die 50 HZ SGT5-9 000HL klas swaar gasroer wat deur Siemens in Duitsland ontwikkel en vervaardig is, is die sterkste swaar gasroer met die hoogste uitkomstekrag van 'n enkele eenheid ter wêreld. Die swaar gasroer kan tot 840 MW elektrisiteit produseer in kombinasie-siklusmodus, en sy kombinasie-siklusdoeltreffendheid is ook tot 63%, maar dit is nie die efficiëntste gasroer in kombinasie-siklus nie.

In Oktober 2019 het GE die 7HA.03 swaarplig gasroerstert ingevoer, wat 'n maksimum kombinasie-siklus uitsetmagt net lager het as Siemens se SGT5-9000HL-klas swaarplig gasroerstert, wat by 821 MW bereik word, maar sy maksimum kombinasie-siklus doeltreffendheid word beraam op so hoog as 63,9%. In 2022 is die 7HA.03 gasroerstert vir die eerste keer in kommersiële bedryf geneem, met 'n kombinasie-siklus magtweegdoeltreffendheid van meer as 64% en 'n belastingsgroei tempo van tot 75 MW/min. Die 7HA.03 gasroerstert kan emissies met 70% verminder. Om koolstofemissies verder te verminder vanaf gasgestoede magtweeg, ondersteun GE se 7HA.03 gasroerstert tans die verbranding van 50% waterstof deur volume met 'n netto-uitset van 430 MW in 'n enkelsiklus. 'n "Eentalige" 7HA.03 swaarplig gasroerstert magtstasie kan magtweeg van tot 640 MW verskaf, terwyl 'n "weetalige" 7HA.03 swaarplig gasroerstert magtstasie magtweeg van tot 1 282 MW kan verskaf.

Vandag is die invoertemperatuur van die wêreld se mees gevorderde swaar gasroere so hoog as 1 600 ° C [11]. Sommige professionele het voorspel dat die maksimum invoertemperatuur van gasroere in die toekoms kan bereik 1 700 ℃ , en die doeltreffendheid van enkelsiklusse en kombines siklusse kan bereik 44% ~ 45% en 65% onderskeidelik [10].

In geheel, hoewel die tegniese vlak van swaar gasroere in China groot vooruitgang gemaak het in vergelyking met die verlede, bestaan daar steeds 'n groot gaping in die vervaardigingstegnologie en onderhoudsvlak wanneer dit vergelyk word met ontwikkelde lande, soos in Tafel 1 getoon word. Weens hierdie feit moet plaaslike vervaardigers en navorsers eerste en vooreerst duidelik wees oor die ontwikkelingsstatus van China se swaar gasroere, die belangrikheid van swaar gasroer-navorsing verbeter, terwyl hulle tevens met nasionale beleidssteun voortgaan om kapitaalbelegging in swaar gasroer-tegnologie te verhoog, en fokus op die voordele van almal vir die volledige ontwikkeling van swaar gasroere. Probeer die gaping tussen ons land se swaar gasroer-tegnologiese vlak en dié van ander ontwikkelde lande te verklein. Daarom het die tegniese vlak van swaar gasroere in China steeds 'n enorme ruimte vir ontwikkeling, en die toekomstige ontwikkelingstrend is hoofsaaklik gerig op hierdie vier aspekte, naamlik hoë parameters, hoë prestasie, lae verontreiniging en groot skaal [12].